DE102011103749A1 - Multi-channel detection device for detecting field components of magnetic field vector produced by magnetic field line camera, has sensor chips whose respective associated Hall-sensors form separate measuring channel - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte mehrkanalige Detektorvorrichtung zum Erfassen der Feldkomponenten eines magnetischen Feldvektors.The present invention relates to an integrated multi-channel detector device for detecting the field components of a magnetic field vector.
Integrierte Magnetfeldsensoren, die den Hall-Effekt zum Erfassen eines magnetischen Feldes nutzen, weisen beispielsweise einen quadratischen, plattenförmigen elektrischen Leiter auf, an dessen vier Schmalseiten oder Ecken jeweils eine Kontaktelektrode vorgesehen ist. Die Kontaktelektroden sind mit einer elektronischen Schaltung verbunden. Jeweils zwei an dem plattenförmigen elektrischen Leiter gegenüberliegend angeordnete Kontaktelektroden werden zu einem Kontaktelektrodenpaar zusammengefasst. Die Elektroden eines Kontaktelektrodenpaares sind jeweils am elektrischen Leiter gegenüberliegend angeordnet. Über das erste Kontaktelektrodenpaar kann ein Strom zur Erzeugung eines Stromflusses durch den plattenförmigen elektrischen Leiter eingeprägt werden. Das zweite Kontaktelektrodenpaar dient als Messkontaktelektrodenpaar, mit dem die Hall-Spannung abgegriffen werden kann, die bei einem anliegenden Magnetfeld senkrecht zur Richtung des eingeprägten Stromflusses in dem leitfähigen Bereich des Magnetfeldsensors entsteht.Integrated magnetic field sensors that use the Hall effect to detect a magnetic field, for example, have a square, plate-shaped electrical conductor, on whose four narrow sides or corners each have a contact electrode is provided. The contact electrodes are connected to an electronic circuit. In each case two contact electrodes arranged opposite the plate-shaped electrical conductor are combined to form a pair of contact electrodes. The electrodes of a pair of contact electrodes are each arranged opposite to the electrical conductor. Via the first contact electrode pair, a current for generating a current flow through the plate-shaped electrical conductor can be impressed. The second contact electrode pair serves as a measuring contact electrode pair, with which the Hall voltage can be tapped, which arises in an applied magnetic field perpendicular to the direction of the impressed current flow in the conductive region of the magnetic field sensor.
Bei in CMOS Technologie integrierten Hall-Sensoren besteht das elektrisch leitfähige Gebiet zum Beispiel aus einem n-dotierten Halbleiterbereich auf einem p-dotierten Substrat eines Siliziumchips. Bei sog. lateral integrierten Hall-Sensoren erstreckt sich der plattenförmige elektrisch leitfähige n-dotierte Bereich parallel zur Oberfläche des Halbleiterchips. Durch die CMOS Technologie können mehrere Hall-Sensoren inklusive einer zugehörigen elektronischen Schaltung monolithisch in einem Chip integriert werden, so dass Hall-Sensor-Module mit jeweils mehreren parallel arbeitenden Messkanälen realisierbar sind, die zum Beispiel durch Anreihung für einen magnetfeldempfindlichen Zeilensensor geeignet sind.For example, in Hall sensors integrated in CMOS technology, the electrically conductive region consists of an n-doped semiconductor region on a p-doped substrate of a silicon chip. In so-called laterally integrated Hall sensors, the plate-shaped electrically conductive n-doped region extends parallel to the surface of the semiconductor chip. By CMOS technology several Hall sensors including an associated electronic circuit can be monolithically integrated in a chip, so that Hall sensor modules, each with several parallel measuring channels can be realized, which are suitable, for example, by baying for a magnetic field-sensitive line sensor.
Nachteilig an einem Zeilensensor mit lateral integrierten Hall-Sensoren ist, dass nur eine senkrecht zur Oberfläche eines integrierten Hall-Sensor-Moduls wirkende Komponente eines magnetischen Feldvektors erfassbar ist.A disadvantage of a line sensor with laterally integrated Hall sensors is that only a component of a magnetic field vector acting perpendicular to the surface of an integrated Hall sensor module can be detected.
Die vorliegende Erfindung hat sich somit die Aufgabe gestellt, ein Hall-Sensor-Modul mit mehreren Kanälen bereitzustellen, welche ein mehrdimensionales Erfassen eines magnetischen Feldvektors ermöglicht.The present invention has thus set itself the task of providing a Hall sensor module with multiple channels, which allows a multi-dimensional detection of a magnetic field vector.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung eine mehrkanalige Detektorvorrichtung zum Erfassen der Feldkomponenten eines magnetischen Feldvektors in zumindest zwei Raumrichtungen vor. Diese Detektorvorrichtung umfasst wenigstens einen ersten Sensorchip und einen zweiten Sensorchip sowie einen Träger. Der erste Sensorchip und der zweite Sensorchip besitzen jeweils eine gleiche Anzahl von wenigstens zwei Hall-Sensoren, die auf einer aktiven Oberfläche des jeweiligen Sensorchips entlang einer Linie in Abständen zueinander angeordnet sind. Der erste Sensorchip und der zweite Sensorchip sind auf dem Träger derart angeordnet, dass die Hall-Sensoren des ersten Sensorchips zu den Hall-Sensoren des zweiten Sensorchips jeweils orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Jeder Hall-Sensor des ersten Sensorchips ist dabei einem separaten Hall-Sensor des zweiten Sensorchips zugeordnet. Die jeweils zugeordneten Hall-Sensoren der ersten Sensorchips und des zweiten Sensorchips bilden einen separaten Messkanal.To achieve this object, the present invention proposes a multi-channel detector device for detecting the field components of a magnetic field vector in at least two spatial directions. This detector device comprises at least a first sensor chip and a second sensor chip and a carrier. The first sensor chip and the second sensor chip each have an equal number of at least two Hall sensors which are arranged on an active surface of the respective sensor chip along a line at intervals from each other. The first sensor chip and the second sensor chip are arranged on the carrier such that the Hall sensors of the first sensor chip are aligned in each case orthogonal to the Hall sensors of the second sensor chip. Each Hall sensor of the first sensor chip is assigned to a separate Hall sensor of the second sensor chip. The respective associated Hall sensors of the first sensor chips and of the second sensor chip form a separate measuring channel.
Vorteilhafter Weise sind die Hall-Sensoren des ersten und zweiten Sensorchips jeweils in gleichmäßigen Abständen entlang der Linie zueinander angeordnet.Advantageously, the Hall sensors of the first and second sensor chips are each arranged at regular intervals along the line to each other.
Eine vorteilhafte Ausbildungsform sieht vor, dass die Detektorvorrichtung wenigstens zwei dritte Sensorchips umfasst, die zum Erfassen einer weiteren magnetischen Feldkomponente in einer dritten Raumrichtung ausgebildet sind. Die dritten Sensorchips besitzen jeweils wenigstens einen Hall-Sensor und sind jeweils derart auf dem Träger angeordnet, dass jeder dritte Sensorchip einem der Messkanäle zugeordnet ist.An advantageous embodiment provides that the detector device comprises at least two third sensor chips, which are designed to detect a further magnetic field component in a third spatial direction. The third sensor chips each have at least one Hall sensor and are each arranged on the carrier in such a way that every third sensor chip is assigned to one of the measuring channels.
Die vorliegende Erfindung stellt mit dieser bevorzugten Ausführung eine Detektorvorrichtung zum dreidimensionalen Erfassen eines magnetischen Feldes bereit, wobei die magnetischen Feldvektoren in einem räumlich eng begrenzten Bereich zumindest zweikanalig abgetastet werden können.The present invention provides with this preferred embodiment a detector device for the three-dimensional detection of a magnetic field, wherein the magnetic field vectors can be scanned in a spatially narrow range at least two channels.
Die Messkanäle weisen bevorzugt einen äquidistanten Abstand zueinander auf, so dass mit der Detektorvorrichtung ein 3D magnetfeldempfindlicher Zeilensensor mit einer konstanten örtlichen Abtastung bereitgestellt werden kann.The measuring channels preferably have an equidistant distance from each other, so that a 3D magnetic field-sensitive line sensor with a constant local scanning can be provided with the detector device.
Sämtliche Hall-Sensoren sind dafür bevorzugt gleichartig aufgebaut.All Hall sensors are preferably of similar construction.
Besonders vorteilhaft sind sämtliche Hall-Sensoren im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die parallel zur Ebene der Trägers liegt. Die magnetischen Feldvektoren sind somit sowohl in allen Raumrichtungen, als auch in allen räumlich beabstandeten Messkanälen mit im Wesentlichen vergleichbaren Toleranzen zu erfassen.Particularly advantageously, all Hall sensors are arranged substantially in a common plane, which is parallel to the plane of the carrier. The magnetic field vectors can thus be detected in all spatial directions as well as in all spatially-spaced measurement channels with substantially comparable tolerances.
Die Sensorchips können ein Siliziumsubstrat enthalten, in dem die Hall-Sensoren mit zumindest einem Teil einer Auswerteelektronik mittels CMOS Technologie monolithisch integriert sind.The sensor chips may include a silicon substrate in which the Hall sensors with at least a part of an evaluation by means of CMOS technology monolithic integrated.
Durch die monolithische Integration können beispielsweise für jeden einzelnen Hall-Sensor mehrere Hall-Sensorelemente zum Beispiel auch mit unterschiedlichen Sensor-Geometrien bereitgestellt werden, die in Verbindung mit der Elektronik eine Offset-Kompensation ermöglichen.Due to the monolithic integration, it is possible, for example, to provide a plurality of Hall sensor elements for each individual Hall sensor, for example also with different sensor geometries, which enable offset compensation in conjunction with the electronics.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung kann auch der Träger ein Siliziumsubstrat enthalten, in dem zumindest ein Teil einer Auswerteelektronik mittels CMOS Technologie monolithisch integriert ist. Dieses ermöglicht eine integrierte Signalaufbereitung bzw. eine Abgleich aller Sensoren eines jeweiligen Messkanals sowie ggf. einen Abgleich der einzelnen Messkanäle untereinander.In a further preferred embodiment of the invention, the carrier can also contain a silicon substrate in which at least part of an evaluation electronics are monolithically integrated by means of CMOS technology. This enables an integrated signal processing or an adjustment of all sensors of a respective measurement channel and, if necessary, an adjustment of the individual measurement channels with each other.
Der Träger und die Sensorchips der Detektorvorrichtung können mittels Bonddrähten, leitfähigem Klebstoff und/oder Lötverbindungen elektrisch miteinander verbunden werden.The carrier and the sensor chips of the detector device can be electrically connected to one another by means of bonding wires, conductive adhesive and / or solder joints.
Erfindungsgemäß wird ein hybrid integriertes Bauelement mit einer Detektorvorrichtung bereitgestellt. Das Bauelement umfasst eine Anzahl monolithisch integrierter CMOS Hall-Sensor-Chips, die auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind und den Aufbau eines magnetfeldempfindlichen Zeilensensors mit einer Auflösung im Bereich von zum Beispiel 1 mm als Zeilenabstand ermöglichen.According to the invention, a hybrid integrated component is provided with a detector device. The device comprises a number of monolithically integrated CMOS Hall sensor chips, which are arranged on a common carrier and allow the construction of a magnetic field-sensitive line sensor with a resolution in the range of, for example, 1 mm as line spacing.
Die Erfindung umfasst auch eine magnetfeldempfindliche Zeilenkamera mit wenigstens einer zuvor beschriebenen mehrkanaligen Detektorvorrichtung, die insbesondere für metallurgische Analyseverfahren, d. h. in der Materialkunde, geeignet ist.The invention also encompasses a magnetic-field-sensitive line scan camera with at least one multi-channel detector device described above, which is particularly suitable for metallurgical analysis methods, ie. H. in materials science, is suitable.
Eine solche magnetfeldempfindliche Zeilenkamera ist zum Beispiel zur Kontrolle von Schweißverbindungen in Rohren oder zur Detektion von Fehlstellen oder von Rost auf ferromagnetischen Materialien geeignet.Such a magnetic field-sensitive line scan camera is suitable, for example, for checking welded joints in pipes or for detecting defects or rust on ferromagnetic materials.
Eine erfindungsgemäße Detektorvorrichtung wird nachfolgend anhand einer beispielhaften Ausführungsform eines Hall-Sensor-Moduls unter Bezugnahme auf eine Figur detailliert beschrieben.A detector device according to the invention will be described in detail below with reference to an exemplary embodiment of a Hall sensor module with reference to a figure.
Die Figur zeigt ein fünfkanaliges 3D-Hall-Sensor-Modul zum Erfassen der Feldkomponenten der Feldvektoren eines magnetischen Feldes in allen drei Raumrichtungen.The figure shows a five-channel 3D Hall sensor module for detecting the field components of the field vectors of a magnetic field in all three spatial directions.
Das in der Figur beispielhaft dargestellte Hall-Sensor-Modul umfasst einen Träger
Die Siliziumoberfläche des Trägers
Auf dem Träger
Der erste Siliziumchip
Den Hall-Sensoren kann jeweils eine in der Chipoberfläche integrierte Schaltung zugeordnet sein, die neben einer Verschaltung für eine Offset-Fehlerkompensation einen Signalverstärker aufweisen kann. Eine solche integrierte Schaltung zur Signalaufbereitung ist aus Gründen der Darstellbarkeit und der besseren Übersicht wegen in der Figur nicht dargestellt.The Hall sensors may each be associated with an integrated circuit in the chip surface, which may have a signal amplifier in addition to an interconnection for offset error compensation. Such an integrated circuit for signal conditioning is not shown for reasons of representability and better clarity in the figure.
Auf der Oberfläche des dargestellten Siliziumchips
Die Oberfläche des in Figur dargestellten Trägers
Der erste Siliziumchip
Der erste Siliziumchip
Der zweite Siliziumchip
Die Hall-Sensoren
Die Oberfläche des zweiten Siliziumchips
Die elektrische Kontaktierung des zweiten Siliziumchips
Der zweite Siliziumchip
Die Hall-Sensoren des ersten und des zweiten Siliziumchips
Der erste Siliziumchip
Zum Erfassen einer dritten, d. h. in x-Richtung wirkende Feldkomponente sind bei dem in der Figur dargestellten Hall-Sensor-Modul fünf weitere Siliziumchips
Die Hall-Sensoren
Die fünf Siliziumchips
Die elektrische Kontaktierung der fünf Siliziumchips
Die Hall-Sensoren der fünf Siliziumchips
Die Hall-Sensoren des ersten und zweiten Siliziumchips
Die fünf in x-Richtung parallel zueinander angeordneten Messkanäle des dargestellten Hall-Sensor-Moduls bilden eine fünfkanalige Detektorvorrichtung, die eine in x-Richtung ausgedehnte fünfzeilige Abtastung eines Magnetfeldes erlaubt. Die Hall-Sensor-Module können für eine Anreihung in einer geraden oder gekrümmten Ebene vorzugsweise mit gleichem Abstand der Sensoren untereinander und zum jeweils benachbarten Modul ausgelegt werden.The five measuring channels of the illustrated Hall sensor module which are arranged parallel to one another in the x-direction form a five-channel detector device which permits a five-line scanning of a magnetic field which is extended in the x direction. The Hall sensor modules can be designed for a baying in a straight or curved plane, preferably with the same distance between the sensors and with each other to the adjacent module.
Sämtliche Hall-Sensoren sind im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die parallel zu der x-y-Ebene liegt. Die oberflächenintegrierten Hall-Sensoren des ersten Siliziumchips
Das beispielhaft dargestellte Hall-Sensor-Modul ist bevorzugt als mehrkanalige Detektorvorrichtung für eine magnetfeldempfindliche Zeilenkamera geeignet. Diese kann zum Beispiel für metallurgische Analyseverfahren eingesetzt werden. Zum Abtasten eines ferromagnetischen Materials kann das dargestellte Hall-Sensor-Modul in y-Richtung über eine abzutastende Fläche bewegt werden, so dass ein magnetisches Feld in fünf Zeilen, die in x-Richtung gleichmäßig beabstandet sind, abgetastet wird. Ein örtlicher, bzw. bei Bewegung zeitlicher Versatz bei der Erfassung der x-, y- und z-Komponenten, die durch die beabstandete Anordnung der Siliziumchips
Durch die monolithische Integration der Hall-Sensoren in die Siliziumchips
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